CN112271235A - 一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备方法，包括如下步骤：S1.首先将硅片平放在载板上并输送进入工艺腔；S2.再将工艺腔抽真空；S3.然后向工艺腔内通入工艺气体，并对工艺气体和硅片同时快速加热至反应温度，工艺气体在高温低压真空中与硅片表面快速反应生成超薄的氧化硅薄膜。本发明采用水平板式系统将硅片输送进入工艺腔，并通过红外等直接加热方式快速达到反应温度以实现高温氧化制备超薄氧化硅薄膜，有效解决了传统热氧化法因间接加热产生的成膜速度慢、能耗大、工艺时间长、产能低等问题，且能避免使用等离子体造成的硅片轰击损伤、腔体内部及载板容易附着反应物后出现掉渣、设备维护频率高、成本高等难题。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备方法和系统。
背景技术
近年来，随着晶硅太阳能电池的研究和发展，理论和实践都证明表面钝化是电池效率提升的必经之路，氧化铝薄层钝化在PERC电池上获得广泛推广。但是用掺杂多晶硅和氧化硅叠层钝化效果更佳，是下一代量产技术发展的前景，这是由于氧化硅在晶体硅表面的起到化学钝化作用，而掺杂多晶硅有很好的场钝化效应。但由于氧化硅是绝缘的，它会阻止内部载流子导入掺杂多晶硅电荷收集层。研究发现，如果氧化硅层减薄到2nm以下时，电荷可以顺利穿过氧化层，简称“隧道效应”，而作为钝化层的氧化硅层在1-2nm厚度时就可以起到钝化效果。利用这个叠层设计的一种典型的新电池是TOPCon电池，它是在N型硅基的背面形成1.6nm左右的氧化层，再加上150nm左右的磷掺杂的多晶硅层，这种电池的理论电池转换效率可以达到29％左右。但是制备纳米级极薄氧化硅层的精确难以控制，同时均匀性难以掌控，所以如何快速精确的制备均匀性好的超薄纳米SiO2薄层是业界普遍难题。
隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)技术是当前产业化高效太阳电池的重点研究方向之一，是一种既能降低表面复合又无需开孔的钝化接触电池结构，其核心技术超薄隧穿氧化硅层的制备，可有效减少表面态保持较低的隧穿电阻，从根本上消除了电流横向传输引起的损失，提升了电池的电流和填充因子。
目前，TOPCon太阳电池用超薄隧穿氧化硅的制备多采用热氧化和PECVD技术：
1、热氧化法是将硅片放置在干净的石英管中，通过电阻丝加热管式炉达到约600℃左右的反应温度，使得硅片与通入的O2发生化学反应生成氧化层的过程；该氧化过程一般需要30-60min左右才能生长出氧化层，并且硅片进出石英管均需要10min以上的开关门等候时间，氧化层成膜速度慢、工艺时间长、产能低；此外，采用电阻丝先加热管式炉，热量由炉管外壁依次传导至炉内壁以及硅片，这种间接加热，加热速度缓慢、能耗大；
2、采用PECVD技术沉积氧化硅薄膜，使用O2或者O2、笑气和硅烷混合气体作为工艺气体，在等离子体作用下生成高活性的N/O离子，与硅片发生化学反应在其表面生成一层氧化硅薄膜；但是等离子体的使用会造成硅片基底一定程度的轰击损伤导致效率下降，并且反应物也容易沉积在腔体内部，长期积累易出现掉渣问题而影响生产良率，对设备维护保养带来比较大的难题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备方法，包括如下步骤：
S1.首先将硅片平放在载板上并输送进入工艺腔；
S2.硅片进入工艺腔后，先将工艺腔抽真空；
S3.然后向抽真空后的工艺腔内通入工艺气体，并在硅片的上方对工艺气体和硅片同时快速加热至反应温度，工艺气体在高温低压真空中与硅片表面快速反应生成超薄的氧化硅薄膜。
其中，步骤S1中，平放有硅片的载板连续经过工艺腔实现动态生长氧化硅薄膜，或者在工艺腔内暂停实现静态生长氧化硅薄膜。
其中，步骤S2中，工艺腔内的真空压强为1-30Pa。
其中，步骤S3中，工艺气体为氧气或臭氧；加热方式采用高功率加热器直接加热并使加热面积大于载板的面积，且反应温度迅速升至550-800℃，工艺气体在高温低压真空环境中形成高温氧化区域并与硅片表面快速反应生成超薄的氧化硅薄膜。
其中，步骤S3中，氧化硅薄膜的厚度为1-2nm，从而具备钝化隧穿的功能，实现载流子的选择性遂穿和运输。
本发明还提供了一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备系统，包括输送系统及反应系统；
所述输送系统包括水平输送线及水平设置在所述水平输送线上的载板，硅片平放在所述载板上；
所述反应系统包括工艺腔，用于将所述工艺腔抽真空的真空设备，用于向所述工艺腔内通入工艺气体的供气设备，以及设置在所述工艺腔内上端的加热装置。
其中，所述加热装置为高功率红外加热器、高功率微波加热器、高功率激光加热器等加热设备中的一种或多种，并优选采用阵列设置方式以实现对载板上硅片的全覆盖加热。
通过上述技术方案，本发明利用一种链式传输系统实现硅片的水平板式输送进入工艺腔，并通过红外、微波、激光等直接加热的方式快速达到反应温度以实现高温氧化制备超薄氧化硅薄膜，且可以实现静态生长或动态连续生长，有效解决了传统热氧化法因间接加热产生的成膜速度慢、能耗大、工艺时间长、产能低的问题。对比等离子沉积技术，本发明优选采用高功率的红外加热阵列保证高温以实现快速氧化，能避免使用等离子体造成的硅片轰击损伤、腔体内部及载板容易附着反应物后出现掉渣、设备维护频率高、成本高等难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的制备系统示意图。
图中：10.载板；20.工艺腔；30.真空设备；40.供气设备；50.加热装置；60.高温氧化区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参考图1所示的TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备系统，本发明提供了一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备方法，包括如下步骤：
S1.首先将硅片平放在载板10上并通过水平输送线将载板10输送进入工艺腔20；其中，平放有硅片的载板10连续经过工艺腔20实现动态生长氧化硅薄膜，或者在工艺腔20内暂停实现静态生长氧化硅薄膜；
S2.硅片进入工艺腔20后，先通过真空设备30将工艺腔20抽真空，工艺腔20内的真空压强为1-30Pa；
S3.然后通过供气设备40向抽真空后的工艺腔20内通入氧气或臭氧作为工艺气体，并在硅片的上方对工艺气体和硅片同时采用加热装置50实现快速加热至反应温度，加热方式采用高功率红外加热器、高功率微波加热器、高功率激光加热器等加热设备中的一种或多种并优选采用阵列设置方式以实现对载板10上硅片的全覆盖直接加热，且反应温度迅速升至550-800℃；工艺气体在高温低压真空中形成高温氧化区域60并与硅片表面快速反应生成超薄的氧化硅薄膜，氧化硅薄膜的厚度为1-2nm，从而具备钝化隧穿的功能，实现载流子的选择性遂穿和运输。
本发明基于上述制备方法的描述提供了实施例1和2，具体工艺参数如下表所示：
由上述实施例1和2可知，本发明利用一种链式传输系统实现硅片的水平板式输送进入工艺腔20，并通过红外、微波、激光等直接加热的方式快速达到反应温度以实现高温氧化制备超薄氧化硅薄膜，有效解决了传统热氧化法因间接加热产生的成膜速度慢、能耗大、工艺时间长、产能低的问题。对比等离子沉积技术，本发明优选采用高功率的红外加热阵列保证高温以实现快速氧化，能避免使用等离子体造成的硅片轰击损伤、腔体内部及载板10容易附着反应物后出现掉渣、设备维护频率高、成本高等难题。
对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.首先将硅片平放在载板(10)上并输送进入工艺腔(20)；
S2.硅片进入工艺腔(20)后，先将工艺腔(20)抽真空；
S3.然后向抽真空后的工艺腔(20)内通入工艺气体，并对工艺气体和硅片同时快速加热至反应温度，工艺气体在高温低压真空中与硅片表面快速反应生成超薄的氧化硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备方法，其特征在于，步骤S1中，平放有硅片的载板(10)连续经过工艺腔(20)实现动态生长氧化硅薄膜，或者在工艺腔(20)内暂停实现静态生长氧化硅薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备方法，其特征在于，步骤S2中，工艺腔(20)内的真空压强为1-30Pa。
4.根据权利要求1所述的一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备方法，其特征在于，步骤S3中，工艺气体为氧气或臭氧；加热方式采用高功率加热器直接加热并使加热面积大于载板(10)的面积，且反应温度迅速升至550-800℃，工艺气体在高温低压真空环境中形成高温氧化区域并与硅片表面快速反应生成超薄的氧化硅薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备方法，其特征在于，步骤S3中，氧化硅薄膜的厚度为1-2nm，从而具备钝化隧穿的功能，实现载流子的选择性遂穿和运输。
6.一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备系统，其特征在于，包括输送系统及反应系统；
所述输送系统包括水平输送线及水平设置在所述水平输送线上的载板(10)，硅片平放在所述载板(10)上；
所述反应系统包括工艺腔(20)，用于将所述工艺腔(20)抽真空的真空设备(30)，用于向所述工艺腔(20)内通入工艺气体的供气设备(40)，以及设置在所述工艺腔(20)内上端的加热装置(50)。
7.根据权利要求6所述的一种TOPCon太阳能电池氧化硅层的制备系统，其特征在于，所述加热装置(50)为高功率红外加热器、高功率微波加热器、高功率激光加热器中的一种或多种并阵列设置以全覆盖所述载板(10)。
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